正三轮摩托车车架力学性能研究

何亚峰，尹飞鸿，干为民，2

(1．常州工学院机电工程学院，江苏常州 213002)

(2．江苏省数字化电化学加工重点实验室，江苏常州 213002)

正三轮摩托车由于运输方便、价格低和容易操作等特点，被广泛应用于城乡运输行业中。其车架是重要的结构承载部件，它将发动机、传动部分、操纵部分和行车部分的部件紧密地联结在一起，从而保证行车的安全性和舒适性。由于正三轮摩托车多用于较差的路况，且随机振动大，因此对正三轮摩托车车架的设计提出了更高的要求。多年来许多学者做了大量的研究，王晶等人利用ANSYS Workbench软件对某三轮摩托车车架进行了动静态有限元仿真计算［1］;王志明等人利用MSC．Patran/Nastran建立以板单元为基本单元的车架有限元模型，进行了车架应力和模态分析［2］。然而不同的正三轮摩托车车架承受载荷和使用路况不尽相同，因而需要在设计中预先评估车架的使用性能，保证用户使用的可靠性。

1 正三轮摩托车车架有限元模型的建立

1．1 正三轮摩托车车架材料属性

本文利用ABAQUS有限元软件对正三轮摩托车车架进行力学计算，车架材料为Q235，密度为7．85 ×10－9t/mm3，泊松比为 0．3，材料的屈服强度为235MPa。分析中采用线弹性材料，考虑到正三轮摩托车车架安全问题，因而弹性模量选取最小值(1．96 ×105MPa)。

1．2 正三轮摩托车车架有限元网格划分

采用四面体单元，对正三轮摩托车车架进行网格划分，网格划分数量为248160单元，其网格质量能够保证计算精度，划分后的正三轮摩托车车架如图1所示。

图1 正三轮摩托车车架有限元网格

1．3 正三轮摩托车车架载荷

根据正三轮摩托车相关设计要求，正三轮摩托车最大总质量为690kg，车厢质量为100kg，乘员质量为75kg，发动机质量为35kg，油箱(油)总成质量为9kg。

国家相关试验车载标准载荷为:A级路面动载荷系数为1．12～1．19;B级路面动载荷系数为1．23 ～1．38;C 级路面动载荷系数为 1．48 ～1．76;D级路面动载荷系数为2．00～2．52。

考虑到正三轮摩托车车架使用安全性能，根据所建立模型和实际工况要求按照D级路面动载荷最大系数2．52进行最大工况加载计算，车架载荷施加如图2所示。

1．4 正三轮摩托车车架工况及边界处理

a．车架弯曲工况。

主要考虑正三轮摩托车满载状态下静止或在良好路面上匀速直线行驶时应力分布和变形情况。

边界处理:前立管、板簧连接部位的6个自由度全部约束。

图2 正三轮摩托车车架载荷施加

b．车架紧急制动工况。

主要考虑正三轮摩托车以规定最大制动加速度制动时，地面制动力对车架的影响。根据制动力计算公式，正三轮摩托车前轮最大制动力Ff=FZ1×φ =155×9．8 ×0．75=1139．25N，其中 FZ1为前轮轴荷分配重力，φ为附着系数;正三轮摩托车两后轮最大制动力Fr=FZ2×φ =535×9．8×0．75=3932．25N，其中FZ2为后轮轴荷分配重力。

边界处理:前立管、板簧连接部位的6个自由度全部约束，在正三轮摩托车行驶方向上的前后车轮附加相应的1139．25N和3932．25N制动力。

c．车架急转弯工况。

主要考虑正三轮摩托车以安全转弯速度行驶时惯性力对车架的影响。根据正三轮摩托车安全转弯半径的测量方法，获得该车的转弯半径为3 130mm;根据正三轮摩托车安全转弯速度规定，正三轮摩托车安全转弯速度为10km/h，根据公式v=rω，可得转弯角速度为0．887 5rad/s。

边界处理:前立管、板簧连接部位的6个自由度全部约束，在转弯方向上施加转弯角速度为0．887 5rad/s。

d．车架扭转工况。

主要考虑将一侧车轮悬空时扭矩对车架的影响。

边界处理:删除车架悬空轮垂直于地面方向上的约束。

2 正三轮摩托车车架4种工况计算结果

2．1 正三轮摩托车车架4种工况下MISE分布

图3所示是正三轮摩托车车架在4种工况下，经4种不同边界处理所得到的车架MISE分布。从图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)中可以看出车架处于4种工况下的MISE分布趋势基本一致，MISE分布不均匀，最大值基本集中在车架连接车轮处的位置，分别为 121．2MPa、138．0MPa、138．5 MPa、216．3MPa，4 种工况的最大值均小于车架材料屈服强度235MPa，因而正三轮摩托车车架结构强度符合要求。

图3 正三轮摩托车车架4种不同工况MISE分布

2．2 正三轮摩托车车架4种工况下总变形量分布

图4所示是正三轮摩托车车架在4种工况下，经4种不同边界处理所得到的车架总变形量分布。从图4(a)、图4(b)、图4(c)中可以看出车架处于弯曲工况、紧急制动工况和急转弯工况下总变形量分布趋势大致相同，其最大变形量值分别为0．718 2mm、0．718 9mm、0．718 7mm，从图4(d)中可以看出车架处于扭转工况下的总变形量分布不均匀，其最大变形量值为3．801 0mm。因而在车架设计中需要重点考虑扭转工况下车架变形的状况。

图4 正三轮摩托车车架4种不同工况总变形量分布

3 三轮摩托车车架模态分析

正三轮摩托车大多使用在乡间道路，具有路况差、振动大等特点，因而正三轮摩托车车架在设计中必须考虑频率与振幅问题，以保证正三轮摩托车车架的使用性能和舒适性。

正三轮摩托车车架运动微分方程为:

式中:［M］为质量矩阵;［C］为阻尼矩阵;［K］为刚度矩阵;{}为N维加速度响应向量;{}为N维速度响应向量;{X}为N维位移响应向量;{f(t)}为N维激振力向量。

在不考虑阻尼和外载的情况下，［C］=0，{f(t)}=0，则式(1)变为:

由式(2)解得简谐函数形式为:

式中:{φ}为特征向量或振型;ω为频率。

3．1 正三轮摩托车车架第一阶频率与振型

图5所示是经过有限元计算的正三轮摩托车车架模态分析结果，可以看出车架的第一阶频率为79．36Hz，振型沿车架横向扭曲。

图5 正三轮摩托车车架第一阶频率与振型

3．2 正三轮摩托车车架第二阶频率与振型

图6所示是经过有限元计算的正三轮摩托车车架模态分析结果，可以看出车架的第二阶频率为128．78Hz，振型沿车架纵向弯曲。

图6 正三轮摩托车车架第二阶频率与振型

3．3 正三轮摩托车车架前十阶频率与振型

表1是通过有限元计算的正三轮摩托车车架前十阶频率与振型，表中数据可为车架结构设计和测试提供理论依据。

4 结束语

本文正三轮摩托车车架4种工况的强度和刚度计算结果，能提高评估车架性能和结构的效率;而正三轮摩托车车架前十阶频率与振型量则为改善车架动态性能提供了设计依据，对降低设计成本起到了重要的作用。本文对正三轮摩托车车架的分析计算为车架设计和结构改进提供了理论依据，能大幅度缩短车架设计周期。

表1 正三轮摩托车车架前十阶频率与振型

［1］ 王晶，神会存，汪友刚．三轮摩托车车架有限元分析［J］．中原工学院学报，2010，21(5):22 －25．

［2］ 王志明，胡新华．基于MSC．Patran/Nastran的农用三轮车车架结构分析［J］．农机化研究，2007(8):31－33．